摘要

石英諧振壓力傳感器憑借石英晶體固有的高穩(wěn)定性、低溫度漂移特性，成為高端工業(yè)、航空航天及核工業(yè)等領(lǐng)域壓力測(cè)量的核心器件。長(zhǎng)期以來(lái)，該類(lèi)傳感器的核心技術(shù)與市場(chǎng)被歐美日企業(yè)壟斷，國(guó)內(nèi)高端芯體國(guó)產(chǎn)化率不足 5%。本文系統(tǒng)闡述石英諧振壓力傳感器的壓電諧振原理與 QMEMS 核心工藝，深入剖析差分式振梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、全固態(tài)封裝及智能補(bǔ)償算法等關(guān)鍵技術(shù)突破，并重點(diǎn)介紹以晨穹電子科技為代表的國(guó)內(nèi)企業(yè)的技術(shù)實(shí)踐與產(chǎn)業(yè)化成果，為行業(yè)技術(shù)升級(jí)與國(guó)產(chǎn)替代提供參考。

一、石英諧振壓力傳感器的技術(shù)內(nèi)核

石英諧振壓力傳感器的測(cè)量基礎(chǔ)源于石英晶體的壓電效應(yīng)和諧振特性雙重物理機(jī)制。當(dāng)外界壓力作用于石英基膜時(shí)，基膜產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)變傳遞至集成振梁，導(dǎo)致振梁固有諧振頻率發(fā)生線性變化，通過(guò)檢測(cè)頻率信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)壓力的高精度量化。與傳統(tǒng)應(yīng)變片、電容式傳感器相比，其核心優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在三方面：一是石英晶體極低的彈性模量溫度系數(shù)，使溫漂系數(shù)可控制在 ±0.0015% FS/℃量級(jí)；二是頻率信號(hào)的抗干擾特性，在強(qiáng)電磁環(huán)境中信號(hào)失真率降低 90% 以上；三是全固態(tài)結(jié)構(gòu)無(wú)活動(dòng)部件，使用壽命可達(dá) 10 年以上。

QMEMS（石英微機(jī)電系統(tǒng)）工藝是實(shí)現(xiàn)傳感器微型化與高精度的核心支撐。該工藝通過(guò)光刻、干法刻蝕等微納加工技術(shù)，在 4/6 寸石英晶圓上實(shí)現(xiàn)振梁與基膜的一體化制造，加工精度達(dá)納米級(jí)，確保了器件的一致性與穩(wěn)定性。其中，差分式三梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是關(guān)鍵創(chuàng)新：感壓梁響應(yīng)壓力變化，參考梁與補(bǔ)償梁實(shí)時(shí)抵消溫度與封裝應(yīng)力干擾，使傳感器在 - 55℃~125℃寬溫域內(nèi)保持 ±0.01% FS 的測(cè)量精度。

二、國(guó)產(chǎn)化技術(shù)突破與企業(yè)實(shí)踐

在國(guó)產(chǎn)替代浪潮推動(dòng)下，國(guó)內(nèi)企業(yè)通過(guò)全鏈條技術(shù)創(chuàng)新，逐步打破海外壟斷，形成了以晨穹電子為引領(lǐng)的產(chǎn)業(yè)梯隊(duì)。

（一）晨穹電子科技：全鏈條自主化的領(lǐng)航者

作為國(guó)內(nèi)首個(gè)實(shí)現(xiàn)石英諧振芯體批量生產(chǎn)的企業(yè)，晨穹電子通過(guò)四大技術(shù)創(chuàng)新構(gòu)建核心競(jìng)爭(zhēng)力。在工藝層面，搭建千級(jí)凈化廠房與專(zhuān)用 QMEMS 產(chǎn)線，掌握光刻、濕法腐蝕與干法刻蝕等關(guān)鍵技術(shù)，將晶圓加工良率從不足 50% 提升至 85% 以上。其 RPS01 系列傳感器采用特種石英材料與多層金屬密封封裝，可耐受 380MPa 高壓與 HF 酸腐蝕，在油井 150℃高溫、20g 振動(dòng)環(huán)境中實(shí)現(xiàn) 0.05% FS 精度測(cè)量，在核反應(yīng)堆 10? Gy 輻射環(huán)境下誤差控制在 0.1‰以?xún)?nèi)。

算法創(chuàng)新方面，晨穹基于機(jī)器學(xué)習(xí)開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)溫度補(bǔ)償模型，集成溫度傳感器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)校正，溫漂系數(shù)低至 ±0.0015% FS/℃，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。目前其 CPS01 系列芯體已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，年產(chǎn)能達(dá) 30 萬(wàn)枚，預(yù)計(jì) 2026 年將提升至 100 萬(wàn)枚，使同類(lèi)產(chǎn)品價(jià)格降低 40%，有效打破國(guó)外價(jià)格壟斷。

（二）航天電子：軍工領(lǐng)域的技術(shù)積淀者

依托航空航天領(lǐng)域的嚴(yán)苛應(yīng)用需求，航天電子在高可靠性石英壓力傳感器研發(fā)上形成獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。其產(chǎn)品采用石英 - 金屬?gòu)?fù)合封裝工藝，抗沖擊能力達(dá) 200g，適用于飛行器大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)等極端場(chǎng)景，2024 年產(chǎn)量達(dá) 180 萬(wàn)只，以 15.7% 的市場(chǎng)份額位居國(guó)內(nèi)首位。在軍工配套領(lǐng)域，其傳感器通過(guò)數(shù)千小時(shí)老化試驗(yàn)，年漂移率控制在 0.005% FS 以?xún)?nèi)，成為國(guó)產(chǎn)軍機(jī)與航天器的核心配套器件。

（三）北京芯諾電子：工業(yè)領(lǐng)域的規(guī)?；`行者

北京芯諾電子聚焦工業(yè)自動(dòng)化細(xì)分市場(chǎng)，2024 年實(shí)現(xiàn)出貨量 120 萬(wàn)只，市場(chǎng)份額達(dá) 8.5%。其產(chǎn)品采用簡(jiǎn)化版差分式雙梁結(jié)構(gòu)，在保證 0.1% FS 精度的同時(shí)降低成本，廣泛應(yīng)用于壓力變送器、流量測(cè)量等工業(yè)場(chǎng)景。通過(guò)與高校合作開(kāi)發(fā)的低成本校準(zhǔn)方案，解決了中小企業(yè)對(duì)高精度傳感器的性?xún)r(jià)比需求。

三、技術(shù)挑戰(zhàn)與產(chǎn)業(yè)化瓶頸

盡管?chē)?guó)產(chǎn)化取得顯著進(jìn)展，行業(yè)仍面臨多重挑戰(zhàn)。材料層面，特種石英晶圓的純度與均勻性仍與日本信越等國(guó)際廠商存在差距，影響長(zhǎng)期穩(wěn)定性；工藝設(shè)備方面，高精度光刻與刻蝕設(shè)備依賴(lài)進(jìn)口，制約了加工精度提升；測(cè)試校準(zhǔn)環(huán)節(jié)，高端壓力控制器與溫度校準(zhǔn)儀多為福祿克等海外品牌，導(dǎo)致量產(chǎn)校準(zhǔn)成本居高不下。此外，核心信號(hào)處理芯片如高精度 ADC 仍依賴(lài)進(jìn)口，存在供應(yīng)鏈安全風(fēng)險(xiǎn)。

四、結(jié)語(yǔ)

QMEMS 技術(shù)的成熟為石英諧振壓力傳感器的國(guó)產(chǎn)化提供了關(guān)鍵支撐，晨穹電子等企業(yè)的實(shí)踐證明，通過(guò)材料、工藝、算法的全鏈條創(chuàng)新，國(guó)產(chǎn)傳感器完全可實(shí)現(xiàn)高端領(lǐng)域的進(jìn)口替代。未來(lái)需依托 "傳感器產(chǎn)業(yè)振興計(jì)劃"，加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研協(xié)同，突破設(shè)備與材料瓶頸，完善測(cè)試校準(zhǔn)體系，推動(dòng)國(guó)產(chǎn)石英壓力傳感器向更高精度、更寬適用域與更低成本方向發(fā)展。

審核編輯 黃宇